淺談超前地質預報基本做法及在不良地質隧道中的應用

陳美艷（中鐵二十四局集團新余工程有限公司，江西新余338000）

淺談超前地質預報基本做法及在不良地質隧道中的應用

陳美艷（中鐵二十四局集團新余工程有限公司，江西新余338000）

針對渝黔引入貴陽樞紐鐵路上堰隧道不良地質圍巖（順層偏壓、節理發育）且距既有川黔線47～58m等施工特點，該文就如何做好超前地質預報工作及從施工安全的角度探討超前地質預報在不良地質隧道施工中的應用。

隧道施工；超前地質預報；不良地質；處理方案

1 工程概況

客運系統：渝黔正線接入貴陽北站與貴廣線貫通，為解決重慶～上海方向的跨線車轉線運行，新建兩條客車聯絡線并設區間線路所接入貴陽東站。

貨運系統：線路于正線D4K332公里設置線路所引出貨車聯絡線，結合貨車聯絡線的設置，既有線在都拉營站前局部增建二線，既有川黔線都拉營～關田段單線能力不能滿足運輸需要，自都拉營～關田增建貨車第二線，相應改建都拉營車站、黔靈山車站和關田車站。車站改建均不增加到發線規模。

渝黔引入貴陽樞紐代建范圍包含改造既有車站3座，新增線路所7個。線路全長54.56km。其中：隧道工程：10座/ 12573延長米，其中：3km以上隧道1座 （洋壩隧道，全長3242m），2km以上隧道2座（望鄉坡隧道，全長2600m；鐘寨隧道，全長2250m），隧道工程占本標段的65%左右。

上堰隧道（HD2K419+115，L=320m），單線隧道，由進口往出口方向單口掘進，最大埋深56m，區內海拔1074～1200m，為低中山地貌，區內屬亞熱帶高原季風濕潤性氣候，雨量充沛，分干濕兩季，隧道進出口附近有水泥公路和渝黔鐵路經過，交通較為便利。全隧共出碴2.3萬方（實方），其中2.08萬方調配給路基使用，其余棄于花溪區吳山村棄碴場，運距20km，運輸線路由上堰隧道施工便道進入北京西路后，由北京西路轉入甲秀南路往花溪方向運輸至棄碴場。

本隧道進出口采用臺階式洞門，進出口右側邊坡順層，進口設置2根1.5m×2m的預加固樁，樁長14m、9.5m；出口設置1根1.5m×2m的預加固樁，樁長11m。

全段采用靜態爆破法開挖，設置復合式襯砌，錨噴構筑法支護，并對支護結構體系變形進行監控量測，噴混凝土采用濕噴工藝，隧道拱墻襯砌一次灌注，帶仰拱段應先施工仰拱，仰拱應整體灌注。

2 設計地質情況

該隧道位于既有川黔線西側伴行，相距47～58m，既有線工程為高邊坡，隧道開挖面距高邊坡坡面約50m。

隧道穿越山體由厚層夾中厚層狀長石石英砂巖夾少量薄層泥巖構成，單斜構造區，巖層產狀N25～30°E/52～55°SE，巖層走向與隧道洞軸線呈小角度相交，線路右側圍巖順層偏壓；隧區發育3組節理，線密度一般1～2條/m，節理面多平直光滑，緊閉～微張，巖體多被切割成大小不等的棱型塊狀。

3 超前地質預報工作開展情況

隧道施工中，超前地質預報關系到工程安全、質量和進度，應通過綜合超前地質預報手段探明前方地質條件，以便采取有效的施工措施，避免施工突發災害的發生，確保各項目標順利實現。

上堰隧道設計采用的主要預報方法：地質調查法、加深炮孔超前探測。地質調查法、加深炮孔超前探測由工程部實施。將以上方法所得的資料進行綜合分析與評判，相互印證，并結合掌子面揭示的地質條件、發展規律、趨勢及先兆進行預測、判斷。根據超前地質預測預報結果，相應優化調整措施，制定應急預案，以確保施工安全及結構安全。同時組成地質超前預報完整的技術體系，并堅持將超前地質預報合理納入工序進行組織管理。

3.1 超前地質預測預報組織

由工程部組織實施，納入施工工序管理，并根據預報結果，及時反饋設計單位，調整設計、改變施工方案。

在設計單位提供的地質資料和施工補充勘探的基礎上，將超前地質預測預報工作納入到隧道施工的正常工序中，以探明前方圍巖的變化情況，預測施工中可能出現的地質災害。及時修改、補充和完善隧道施工設計，為隧道的施工提出措施建議，避免重大事故的發生，保證施工的順利進行。

地質超前預測預報由總工程師直接負責，具體工作由工程部承擔。開工前制定詳細的工作大綱，施工中嚴格按照大綱進行日常的預測預報工作。將預測預報結果及時提交總工及架子隊技術層，作為現場施工的依據。

3.2 超前地質預報方法

結合上堰隧道工程施工特點以及工程地質、水文地質條件，開展下列超前地質預報工作：

3.2.1 預報的內容

（1）不同巖性接觸帶的位置，巖層風化程度、接觸帶巖體破碎程度、地下水富存及發育情況；

（2）隧道內圍巖級別變化趨勢；

（3）斷層破碎帶及可溶巖與非可溶巖接觸帶富水情況；

（4）巖溶發育程度、分布范圍、形態及與隧道的相互關系。

3.2.2 預報的方法

針對上堰隧道地質預期分布情況，具體里程所采用方法見表1。

表1 超前地質預報探測表

全隧采用常規地質法進行短距離超前地質預報，根據掌子面開挖揭示的地質條件及部分鉆孔深度5～10m的探測情況，如地層巖性特征、巖體破碎程度、地下水發育情況、結構面性質、洞型變形破壞特征等，對掌子面進行地質素描，并進行地質作圖（幾何作圖、塊體坐標作圖、赤平投影作圖、洞身地質展示圖等），結合地表調查情況，對掌子面前方一定范圍（約5～20m）的地質條件進行預測、預報。每一開挖循環，均應進行一次，定期形成預報成果報告。若發現掌子面存在危及施工安全的其他異常情況，應及時上報監理、設計及建設單位，并采取相應措施。

地質調查法和加深炮孔探測法具體操作程序如下：

（1）地質調查法

①原理

地質法（相關關系法、趨勢外推法、斷層參數法）隧道地質超前預報主要根據隧道洞內外地質調查結果和隧道施工期掌子面地質條件調查結果（如巖體結構面摻裝及發育狀況、巖體破碎程度、巖石的貶值程度等的變化特征），通過地質作圖及構造相關性分析，由地面構造產狀推測其在地下隧道穿越深度位置的出露位置（相關關系法），由掌子面巖體結構面產狀及發育狀況、巖體破碎程度、巖石的變質程度等變化特征推測掌子面前方可能出現的構造及其性質（趨勢外推法），進行超前預報。

主要預報隧道掌子面前方存在的斷層、不同巖類間的接觸界面特別是火成巖與沉積巖間的接觸界面、隧道前方圍巖的穩定性及失穩破壞形式等。

圖1 地質法隧道地質超前預報程序框圖

②方法與工具

隧道掌子面每次開挖后和初噴后通過肉眼觀察和錘擊檢查，描述和記錄圍巖地質情況：巖性、巖層產狀、裂隙、地下水情況、圍巖完整性與穩定性等。判斷圍巖類別是否與設計相符，必要時應拍照，測量地下水流量；觀察支護效果。

③觀察內容

a.無支護的觀察內容有：

A.巖石種類和產狀；

B.巖性特征：巖石的顏色、成分、結構、構造；

C.地層時代歸屬及產狀；

D.節理特性、組數、間距、規模，節理裂隙的發育程度和方向性，斷面狀態特征，填充物的類型和產狀等；

E.斷層的性質、產狀、破碎帶寬度、特征；

F.地下水類型，涌水量大小、涌水位置、涌水壓力、水的化學成分等；

G.開挖工作面的穩定狀態，頂板有無剝落現象。

b.有支護的觀察內容有：

A.初期支護完成后對噴層表面的觀察以及裂縫狀況的描述和記錄；

B.有無錨桿被拉壞或墊板陷入圍巖內部的現象；

C.噴混凝土是否產生裂隙或剝落，要特別注意噴混凝土是否發生剪切破壞；

D.有無錨桿和噴混凝土施工質量問題；

E.鋼拱架有無被壓曲現象；

F.是否有底鼓現象。

（2）加深炮孔探測法

加深炮孔探測是在掌子面鉆眼的時候，為了確保下一循環圍巖情況而加深炮眼（每斷面按距離拱頂、邊墻1m位置按三角形布置3～5個固定延續的加深炮孔，與開挖輪廓線成5°外插角，加深5～10m），來探測掌子面前方的溶洞、泥槽、涌水、流沙等的一種超前地質預報方法。在鉆進過程中，從鉆進的時間、速度、壓力、沖洗液的顏色、成分以及卡鉆、跳鉆等和巖性構造性質及地下水等情況掌握的地質資料，綜合不同位置鉆孔的鉆進時間變化曲線，大致確定不良地質體的規模。

加深炮孔探測具有設備輕便、探測時間短、直觀、可多孔同時進行的優點，一般要求每個開挖都應進行加深炮孔探測；加深炮孔探測的孔數、間距、偏角等要素應根據開挖面尺寸、安全巖盤厚度、要求的探測范圍綜合確定。

3.3 預報成果分析及處理

地質預測預報的結果由技術人員進行匯總，原始資料整理后上報設計單位。在綜合分析的基礎上，由測量組組長主持編寫綜合超前地質預測預報成果，對各種巖性進行描述，包括巖體應力、應變特征。

量化巖體參數、綜合確定圍巖級別，對不連續界面、層面的構成進行細化，著重查清地質構造、巖溶、斷層破碎帶。同時查明地下水循環規律和水流動特征以及地下水化學成份等。

成果提交項目總工程師，然后由總工程師牽頭，工程部、測量組參加，會同有關專家對提交的成果進行再次分析，對可能出現的地質問題提出必要的安全措施。以指導現場施工。并根據預報結果，及時反饋設計單位，調整設計、改變施工方案。

4 超前地質預報在上堰隧道施工中的應用

4.1 施工中超前地質預報揭示地質情況

開挖過程揭示隧道圍巖為灰色、淺灰色厚層夾中厚層狀長石石英砂巖夾薄層狀深灰色泥巖；砂巖為粗粒結構，巖質較硬，泥巖單層厚0.3～0.5m，在地下水的浸潤下，巖質相對軟弱；為單斜構造，巖層層面較陡立，傾角一般50～60°，局部70～80°間，層面有起伏扭曲現象，巖層層面與洞軸方向小角度相交，右側洞身圍巖順層偏壓；洞身內地下水弱發育，拱部有少量滴水現象；圍巖風化差異現象明顯，多為黃褐色砂礫狀、塊狀全風化、強風化層與新鮮堅硬的弱風化層交替分布；總體上圍巖風化不均、軟硬不均，加之夾有薄層泥巖，造成圍巖層間結合較差。

4.2 變更設計情況

（1）HD2K419+035～HD2K419+055段圍巖級別由Ⅲ級調整為Ⅳ級，襯砌類型由Ⅲb型復合式襯砌調整為Ⅳb型復合式襯砌。

（2）D2K419+055～HD2K419+070段圍巖級別由Ⅲ級調整為Ⅳ級，襯砌類型由Ⅲb型復合式襯砌調整為Ⅳb型復合式襯砌。

（3）HD2K419+070～HD2K419+085段圍巖級別由Ⅲ級調整為Ⅴ級，襯砌類型由Ⅲb型復合式襯砌調整為Ⅴc型復合式襯砌。

（4）HD2K419+085～HD2K419+100段圍巖級別由Ⅲ級調整為Ⅴ級，襯砌類型由Ⅲb型復合式襯砌調整為Ⅴc型復合式襯砌。

綜上所述，超前地質預報是揭示隧道圍巖情況最直接、最有效的手段，在施工中應將超前地質預報納入施組和工序進行嚴格管理，特別是在不良地質隧道施工中，超前地質預報是隧道施工中的“千里眼”，能及時、迅速發現圍巖變化情況，及時反饋給設計單位，調整設計、改變施工方案。所以超前地質預報對隧道施工的作用極為重要，在施工過程中要切實做好此項工作，可以有效預防隧道坍塌事故的發生。

[1]《鐵路隧道超前地質預報技術指南》（鐵建設[2008]105號）.

[2]《鐵路隧道監控量測技術規程》（TB10121-2007/J721-2007）.

[3]《鐵路隧道工程施工質量驗收標準》（TB-10417-2003）.

[4]《鐵路隧道工程施工安全技術規程》（TB10304-2009）.

[5]渝黔引入貴陽樞紐鐵路實施性施工組織設計.

U452.11

A

2095-2066（2016）33-0177-02

2016-11-10

陳美艷（1981-），男，工程師，本科，主要從事鐵路建設施工管理工作。